Днем батарейка, ночью – лампа: российские ученые создали бифункциональный солнечный элемент на основе перовскита

Перовскит – новый гибридный полупроводник, используемый для создания высокоэффективных солнечных элементов и светодиодов. За 10 лет перовскит произвел прорыв в фотовольтаике. За  небольшой отрезок времени КПД перовскитных солнечных элементов вырос с 3 до 24% благодаря  относительной простоте их синтеза и массе привлекательных оптических и электрических свойств. На сегодняшний день перовскит является самым перспективным материалом для создания дешевых и высокоэффективных оптоэлектронных и фотовольтаических устройств.

Потенциал применения перовскитов распространяется не только на солнечные элементы, но и на светодиоды, микролазеры, фотодетекторы за счет широкого диапазона оптоэлектронных свойств.

Перовскитные светодиоды способны генерировать свет высокой интенсивности в видимой для человеческого глаза части спектра, и на сегодняшний день их КПД достиг 20%. При этом перовскиты имеют низкую себестоимость производства, благодаря чему перовскит считают будущим материалом для нового поколения дисплеев. Благодаря необычным полупроводниковым свойствам и низким затратам на его производство, он весьма интересен для промышленности.

Но можно ли совместить две функции в одном  устройстве?

Группа молодых ученых-физиков из Университета ИТМО и НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Анвара Захидова в ходе работ по созданию широкоформатных перовскитных фотоэлементов получила лабораторный прототип устройства с двойной функциональностью.

Перовскиты, в отличие от других хорошо известных полупроводниковых материалов, демонстрируют так называемую ионную миграцию, которая проявляется под действием внешнего светового облучения или приложения электрического поля. Эффекты ионной миграции и сегрегации являются проблемой в перовскитных устройствах, но именно они позволили исследовательской группе продемонстрировать первый прецедент объединения противоположных по назначению устройств – солнечного элемента и светодиода. 

«Мы получили режимы работы устройств, при которых малое напряжение тока (до 1.0 V), поданное на перовскитный фотоэлемент, позволяет ему функционировать как солнечный элемент, а большое напряжение (от 2.0 V) переводит в состояние светодиода, то есть, светоизлучающего элемента. Таким образом, одно и то же устройство в  разных условиях может генерировать мощность для накапливания на аккумуляторе, а потом отдавать ее, как лампочка», – рассказал один из соавторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории Advanced Solar Energy НИТУ «МИСиС» Данила Саранин.

«Лабораторные образцы, полученные в ходе исследований, демонстрируют принципиальную возможность создания дешевых и высокоэффективных бифункциональных светоизлучающих солнечных элементов на основе перовскита. В перспективе подобные перовскитные устройства будут служить основой, например, для автономных и экономичных систем освещения, рекламно-информационных LED-экранов, вывесок и других конструкций. Днем они будут заряжаться от солнечного света, а в темное время суток – давать изображение и свет ярких и чистых цветов», – добавляет первый автор исследования, сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Дмитрий Гец.